Band gap 이 커서 저항률이 높은 물질을 절연막 이라고 한다. 절연막에는 산화막, 질화막, 유기막이 존재한다. 이중에 산화막에 대해 설명하고자 한다.
물론 산화막이라고 다 절연막 인건 아니다. 다른 게시글에서 설명 하겠지만 ITO AZO 등 으로쓰이는 경우도 있다.
즉, 산화막이란 산화된 층을 의미 하지만 일반적으로는 산소 원소가 포함된 절연막을 지칭한다.
산화막은 주로 게이트산화막, Field Oxide, ILD, passivation 의 용도로 사용된다.

산화막의 종류와 두께 즉 Cox 와 Tox Un 등을 조절하여 각 위치의 Capacitance 를 조절할 수 있다. 예를들어 게이트 영역 같은경우 전류는 흐르면 안되지만 큰 cap을 가져서 전압을 잘 전달해야하고 Field Oxide의 경우 전극과 반도체 사이에 E-Filed가 서로 영향을 주지 않게 하기 위해 Cap이 작아야 한다.
산화를 하는 방법은 열산화, 전기 화학적 양극 처리, 플라즈마 보강 화학 기상 증착 등 여러가지 가 있지만 본 게시글에서는 4가지만 설명하도록 하겠다.
1) 열산화막
일반적으로 1000도 이상의 석영 보트 안에 웨이퍼를 일정거리 이격하여 배치한뒤 O₂나 H₂O 를 주입하여 산화막을 성장시킨다. 이는 가장 고품질의 산화막을 만들 수 있는 과정이다. 하지만 1000도 이상이라는 가혹한 환경에서는 만약 웨이퍼에 다른 곳에 이미 metal이나 다른 것이 deposition 되어있다면 그것들이 녹아서 문제가 생긴다 따라서 다른공정보다 먼저 할 수 있는 Gate oxide나 Field oxide를 우선적으로 배치한다면 이 두가지 산화막을 형성 할 수 있다. SiO₂ 는 기존의 Si와 공정으로 주입한 Gas가 합쳐지는 과정이므로 자연스레 Si wafer가 소모된다 만약 100%의 SiO₂ 가 형성된다고 가정할때 이중 45%는 기존의 wafer가 SiO₂ 로 변화하는데 이 비율은 분자량의 차이에서 기인한다. Si의 분자량은 28.9g/mol 이고 밀도는 2.33g/cm³ SiO₂ 의 분자량은 60.08g/mol 이고 밀도는 2.21g/cm³ 이다.
이때 Si 1mol과 SiO₂ 1mol이ㅡ 부피를 계산하고 두께의 비율을 계산해보면 알수 있다. 교재에서는 0.44 의 비율이 나오는데 이는 100nm의 산화막을 성장시킨다면 44nm의 실리콘 층이 소비된다는 것을 알 수 있다.
2) CVD 공정 ( Chemical vapor deposition)
위에 설명한것처럼 고열을 줄수없는 상황에서 산화막을 만드는 공정으로 가스를 혼합해서 SiO₂를 만든다.
예를 들어 SiH₄(G) + O₂(G) -> SiO₂(S) +2H₂(G) 이 되어 SiO₂ 는 입자가 떨어저 Wafer에 증착되고 수소는 날아간다 이 두 gas를 반응시켜주기 위해서는 에너지원이 필요한데 열에너지가 쓰이면 Thermal CVD, 플라즈마가 쓰인다면 Plasma CVD가 된다. 이는 추후에 다시 설명할 것이다.
3) PVD 공정 (Physical vapor deposition)
흔히 sputtering 이라고 불리는 공정이다 이는 매우 간단한데 Target 물질을 반도체 위에 띄워놓고 plasma로 때려서 입자로 바꾸어 증착시키는 방식이다. 이는 품질이 떨어진다는 단점이 있다.
4) ALD 공정 (Atomic layer deposition)
Si원자와 O원자를 한층씩 증착하는 방법으로 저온공정이 필요하고 고품질이 필요할 때 사용한다. 사실 SiO₂말고는 다 이 방식을 사용한다고 한다.
앞서 CVD에서 에너지원에 따라 구분할 수 있다고 설명했다. 즉 플라즈마른 쓴다면 PECVD(Plasma enhanced CVD), 열을 사용한다면 Thermal CVD 로 구분된다.열산화막에서 1000도가 넘게 사용됬던것에 반해 PECVD는 200도 이하 Thermal CVD는 250도 이상에서, 상대저으로 저온에서 공정이 가능하다.
또 이중 Thermal CVD의 경우 온도에 따라 3가지로 분류할 수 있는데
200~600도에선 LTCVD [SiH₄(G) + O₂(G) -> SiO₂(S) +2H₂(G)]
600~900도에선 TEOS CVD
900도 이상에선 HTCVD라고 부른다. 온도가 높을수록 품질은 좋아지지만 합리적으로는 TEOS CVD가 유리하다.
Thermal CVD에서 온도 말고 압력에 따라서도 나눌 수 있는데 APCVD(Atmosphere CVD) 와 LPCVD(Low pressure CVD) 로나눌수 있다. 압력이 낮을수록 고품질의 SiO₂를 만들수 있으나 증착속도가 느리다는 단점 있다.
증착속도를 결정하는 것은 압력과 온도 그리고 (건식,습식) 입자의 방향, 표면 손상정도 불순물 농도 정도가 영향을 미친다
입자의 방향은 다음과 같다 (Miller Index 참조 : 아직 미작성)
111의 경우 표면에서 원자가 가장 많이 보이기 때문에 상대적으로 보이는 원자의 수가 적은(100)보다 증착속도가 빠르다.
또한 건식이냐 습식이냐에 따라서도 차이가 존재하는데 이 이유는 Si의 입자 사이를 파고 들어야 하는게 O₂ H₂O 냐의 차이인데 비교적 입자의 크기가 H₂O 가 더 작기 때문에 더 쉽게 침투할 수 있기 때문이다.
그리고 표면 손상이 클수록, 불순물 농도가 클수록 성장속도가 증가하는데 표면 손상이 크다면 single crystal 에서 1.2eV인 반면에 파손으로 인해 Bandgap 이 작아져 산화될 여지가 더 커지기 때문이고 3,5족 대신 불순물로 18족 원소 같은 반응하지않는 무거운 이온을 주입해서 결정구조를 깨뜨려 산화할수 있기 때문에 성장속도가 증가한다.
실리콘 산화막의 물성은 밀도 파괴전장 식각율이 있다. 이름에서부터 알수 있듯이 밀도와 파괴전장(Critical electricfield)은 클수록 좋다. 하지만 식각율은 작아야 좋은 산화막인데 이는 천천히 깎아야 더 세밀한 공정을 할 수 있기 때문이다.
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